EP0577969B1

EP0577969B1 - Wärmerohr

Info

Publication number: EP0577969B1
Application number: EP93108818A
Authority: EP
Inventors: Alois Dr. Köppl; Robert Müller
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2013-06-02
Also published as: US5360058A; DE4222340C2; EP0577969A1; DE59301042D1; DE4222340A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem mit einem Wärmeträgermedium gefüllten Wärmerohr, in dem je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermedium vorhanden sind und bei dem ferner Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen in den Dampfkanal zu befördern.
Wärmerohre oder "heat pipes" für den Transport von Wärme sind, insbesondere aus dem Bereich der Raumfahrttechnik bereits bekannt. Bei diesem wird auf der wärmeabgebenden Seite eine Flüssigkeit, in der Regel Ammoniak, verdampft und der Dampf wird zur wärmeabgebenden Seite geleitet. Dort kondensiert der Dampf, wobei die in ihm gespeicherte latente Wärme an die Umgebung abgeführt wird, und das entstehende Kondensat fließt wieder zur wärmeaufnehmenden Seite, zum Verdampfer, zurück. Die dabei auftretende Dampfströmung ist eine normale Druckströmung, während die Flüssigkeitsströmung eine Kapillarströmung ist. Unterschiedliche Krümmungsradien der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf im Verdampferende einerseits und im Kondensatorende andererseits und die dadurch hervorgerufenen Kapillarkräfte bewirken eine Druckdifferenz in Richtung Verdampferende, die die Strömung antreibt. Die sich einstellende Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen dem Druckverlust aufgrund von Reibungskräften und der wirksamen Druckdifferenz der Kapillarkräfte.
Moderne Hochleistungswärmerohre sind in der Lage, auch bei vergleichsweise geringen Temperaturdifferenzen, Wärmemengen in der Größenordnung von etwa 1 kW über Entfernungen zwischen einem und etwa 20 Metern zu transportieren.
Diese im Vergleich zu konventionellen Wärmerohren höhere Leistung der Hochleistungswärmerohr wird dadurch erzielt, daß für den Transport der Flüssigkeit Kanäle unterschiedlicher Abmessungen verwendet werden: Während im Verdampfungsbereich eine Vielzahl sehr kleiner Kanäle mit Kapillargeometrien verwendet wird, um große treibende Kapillarkräfte zu erzielen, erfolgt die Strömungsführung im Kondensatorbereich sowie in der Transportzone über nur wenige Strömungskanäle, gegebenenfalls einen einzigen Kanal mit relativ großem Durchmesser, der auch als Arterie bezeichnet wird. Auf diese Weise wird der reibungsbedingte Druckverlust minimiert und es ergibt sich bei gleichen Kapillarkräften ein wesentlich größerer Fluidmassenstrom und als dessen Folge ein ebenfalls wesentlich höherer Wärmestrom.
Ein wesentliches Problem beim Betrieb derartiger Hochleistungswärmerohre liegt darin, daß ihre Funktion erheblich beeinträchtigt bzw. ganz unterbrochen werden kann, wenn sich Blasen aus dem Dampf des Wärmeträgerfluids oder aus gasförmigen, nicht kondensierbaren Fremdstoffen in der Arterie befinden. Diese können sich entweder bereits bei der Inbetriebnahme des Wärmerohres zufällig dort befunden haben, sie können aber auch durch eine betriebsbedingte Überlastung des Wärmerohres, beispielsweise eine Überhitzung am Verdampferende bei kurzzeitiger Austrocknung der Verdampfungszone, entstanden sein. Die Blasen können den Transport des Wärmeträgerfluids zur wärmeaufnehmenden Zone unterbrechen, so daß diese weiter austrocknet und das Wärmerohr in seiner Funktion blockiert wird.
In der Literaturstelle Heat Pipe Design Handbook, Volume 1, B & K Engineering Inc., Towson, Maryland 21204, USA, Seiten 149 und 152, sind deshalb zwei Wärmerohre beschrieben, bei denen Maßnahmen zur Entfernung von Blasen und damit zur Vermeidung von Blockaden durch Gasblasen vorgesehen sind. Diese Maßnahmen bestehen in einem Fall aus einer Anordnung mit Entlüftungsbohrungen in der Wand zwischen der Arterie und dem Dampfkanal, im anderen Fall aus einer Ventildüse, die im Transportbereich für den Dampf angeordnet ist und die zugleich als Strahlpumpe über ein Ansaugrohr in der Arterie vorhandene Gasblasen absaugt.
Nachteilig bei einer Anordnung von Entlüftungslöchern in der Arterienwand, wie sie, allerdings für ein konventionelles Axialrillenwärmerohr auch in der BE-A-903 187 beschrieben ist, ist der Umstand, daß während des Betriebes des Wärmerohrs der Druck im Dampfkanal wesentlich höher als in der Arterie ist, so daß zur Überführung von Gasblasen aus der Arterie in den Dampfkanal eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Da dann aber die Entlüftungsbohrungen von Flüssigkeitsbrücken blockiert sind, die zunächst verdampfen müssen bevor die Gasblasen hindurchtreten können, erfordern diese Betriebspausen einen vergleichsweise langen Zeitraum, bevor das Wärmerohr wieder einsatzbereit ist.
Die Anordnung einer Venturidüse im Dampfkanal hat andererseits den folgenden Nachteil: Befindet sich keine Gasblase im Ansaugbereich der Düse, so sammelt sich ständig eine, wenn auch geringe, Menge an Wärmeträgerfluid aus der Arterie im Ansaugrohr. Wenn nun eine Gasblase vor die Ansaugöffnung gelangt, so muß, damit diese aus der Arterie abgesaugt werden kann, zunächst die Flüssigkeitsmenge aus dem Ansaugrohr entfernt werden. Wegen des damit verbundenen großen Druckverlustes der Strömung im Ansaugrohr muß die in der Venturidüse hervorgerufene Druckminderung beträchtlich sein, d.h., die Düse muß eine vergleichsweise starke Querschnittsverengung aufweisen. Dies aber führt auf der anderen Seite zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Dampfströmung infolge des Druckverlustes und damit zu einer stark herabgesetzten Leistungsfähigkeit des Wärmerohres.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmerohr der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Dampfblasen des Wärmeträgerfluids sowie Blasen aus nicht kondensierbarem Gas einfach und schnell aus dem Strömungskanal für das Fluid entfernt werden können und damit eine sichere Inbetriebnahme eines derartigen Rohres, entweder erstmalig oder nach einer beispielsweise durch Überlastung hervorgerufenen Betriebsunterbrechung, gewährleistet ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wärmerohr mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Das Wärmerohr nach der Erfindung ist dabei in hohem Maße fehlertolerant gegenüber im Betrieb auftretenden Überlastungen, da der Start- bzw. Wiederanfahrvorgang wesentlich vereinfacht und beschleunigt wird. Ein besonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmerohres liegt ferner darin, daß es möglich ist, nicht nur Blasen aus nicht-kondensierbaren Gasen aus dem Flüssigkeitskanal zu entfernen, sondern ebenso wirksam auch Dampfblasen.
Dabei ist es aus den US 41 16 266 und US 41 70 262 in Verbindung mit Wärmerohren im Prinzip bereits bekannt, daß die Querschnitte der Flüssigkeitskanäle für den Rücktransport des Wärmeträgermediums, d.h. in Richtung auf den Verdampfer, kontinuierlich abnimmt. Die aus diesen Druckschriften bekannten Wärmerohre gehören jedoch nicht zu der eingangs definierten Gattung von Hochleistungswärmerohren, bei denen jeweils nur ein Strömungskanal für das flüssige und das in den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermediums vorhanden sind. Vielmehr handelt es sich bei diesen bekannten Wärmerohren um solche mit dochtartigen Strukturen, in denen eine Vielzahl feiner Kapillarröhren den Transport des Verdampferfluids bewirkt. Veränderliche Kappillarradien dienen dabei dem Zweck, durch eine Verminderung des Strömungswiderstandes die Transportleistung solcher Wärmerohre im normalen Betrieb, d.h. ohne dem Vorhandensein von Blasen, zu erhöhen.
Die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene ansteuerbare Absperrvorrichtung ermöglicht es, den für das Entfernen von Dampfblasen durchzuführenden Vorgang durch einen kurzzeitigen Öffnungsvorgang des verdampferseitigen Endes entweder manuell anzusteuern oder aber diesen voll automatisch zu initiieren, um so die Entlüftung erheblich zu beschleunigen. Die zur Öffnung erforderliche Betätigungskraft kann dabei auf besonders vorteilhafte Weise thermostatisch, elektromagnetisch oder aber durch die Verwendung eines Stellgliedes aus einer sogenannten Gedächtnislegierung ("shape memory alloy"), wie z. B. Nickel-Titan, erzeugt werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2: je einen Längsschnitt durch einen Teil eines Hochleistungswärmerohres,
Fig. 3: einen Schnitt gemäß III-III durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung und
Fig. 4: eine Ausführungsform im Längsschnitt durch das verdampferseitige Ende des in Fig. 2 dargestellte Wärmerohres.

Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt zeigt im mittleren Bereich die Transportzone eines Hochleistungswärmerohres, an die sich im linken Teil der Zeichnung die Verdampferzone, im rechten Teil die Kondensatorzone anschließt. Die Transportzone besteht aus einem Strömungskanal 1 für das verdampfte Wärmeträgermedium sowie, im Bild darunter liegend angeordnet, einem zweiten Strömungskanal 2, der Arterie, in dem das am Kondensatorende wieder verflüssigte Wärmeträgermedium zum Verdampferende zurückfließt. Der Flüssigkeitskanal 2 ist so gestaltet, daß sein für die Ausbildung von Gas- oder Dampfblasen relevanter kapillarer Radius, vom Verdampferende ausgehend, ständig zunimmt und seinen größten Wert am Kondensatorende erreicht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmerohr wird diese dadurch erreicht, daß die die beiden Strömungskanäle 1 und 2 trennende Wand 3 unter einem von Null verschiedenen Winkel zur Längsachse des Wärmerohres angeordnet ist. Im Bild erkennbar sind ferner die Grenzfläche 4 zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase sowie eine in tangentialer Richtung umlaufende feine Kapillarstruktur 5 an der Innenwand des Wärmerohres. Auf eine Ausführungsform mit einer Vorrichtung 6 zum verdampferseitigen Abschluß des Wärmerohres zur Freigabe einer Durchtrittsöffnung zwischen dem Flüssigkeitskanal 2 und dem Dampfkanal 1 wird im Zusammenhang mit den Erläuterungen zur Fig. 4 näher eingegangen.
Zunächst ist in den Figuren 2 und 3 ein zweites Wärmerohr dargestellt, das sich von dem vorangehend beschriebenen dadurch unterscheidet, daß in diesem Fall die den Dampfkanal 11 vom Flüssigkeitskanal 12 trennende Wand 13 parallel zur Längsachse des Wärmerohres verläuft und daß in diesem Fall die konische Verjüngung des kapillaren Querschnitts des Flüssigkeitskanals 12 in Richtung auf das Verdampferende durch ein an der Trennwand 13 angeordnetes, in den Flüssigkeitskanal 12 ragendes keilförmiges Blech 17 erreicht wird. Die Keilhöhe und damit die Querschnittsfläche dieses Bleches 17 nimmt in Richtung auf das Verdampferende kontinuierlich zu. Im Bild zu erkennen sind ferner wieder die Grenzfläche 14 Flüssigkeit/Dampf sowie die Kapillarstruktur 15.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Absperrvorrichtung 16 nach Art eines elektromagnetischen Ventils. Die Absperrvorrichtung 16 ist dabei identisch aufgebaut wie die Absperrvorrichtung 6 der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Sie besteht aus einem Stempel 21, der auf einem Schaft 22 gehaltert ist, welcher wiederum als Anker für einen Elektromagneten ausgebildet ist. Letzterer wird von einer zylindrischen stromdurchflossenen Spule 23 gebildet, die in einem separaten Gehäuse 24 einen zylindrischen Ansatz 25 des Wärmerohres umgibt, wobei dieser Ansatz 25 einen geringeren Durchmesser als das eigentliche Wärmerohr aufweist und zugleich als Führung für den Schaft 22 dient. Zwischen dem Schaft 22 und dem stirnseitigen Abschluß des Ansatzes 25 ist eine Druckfeder 26 angeordnet, die die Dichtfläche des Stempels 21 gegen das verdampferseitige Ende der Wand 13 sowie des keilförmigen Bleches 17 preßt.
Vor der ersten Inbetriebnahme des Wärmerohres oder nach einem Ausfall infolge Überlastung wird bei einer Anordnung mit einer Absperrvorrichtung der Stempel 21 für kurze Zeit von der Wand 13 weggezogen und damit eine Öffnung zwischen dem Flüssigkeitskanal 12 und dem Dampfkanal 11 geschaffen. Dampf- bzw. Gasblasen die sich zu diesem Zeitpunkt am verdampferseitigen Ende des Flüssigkeitskanals 12 angesammelt haben, können durch diese Öffnung rasch in den Dampfkanal 11 entweichen. Dadurch füllt sich der Flüssigkeitskanal 12 wieder bis zur Kapillarstruktur 15 hin vollständig mit dem flüssigen Wärmeträgermedium, wodurch die Voraussetzung für die Inbetriebnahme des Wärmerohres gegeben ist. Das Wärmeträgermedium gelangt über die an der Innenwand des Rohres im Verdampferbereich befindlichen Kapillaren in den Dampfkanal 11, wo es unter Aufnahme der abzuführenden Wärme verdampft.
Der kurzzeitige Öffnungsvorgang wird dadurch kontrolliert, daß die Spule 23 über Anschlußleitungen 27 von einem Strompuls durchflossen wird und dadurch den Schaft 22 gegen die Kraft der Druckfeder 26 in den Ansatz 25 hereinzieht. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, anstelle eines solchen elektromagnetischen Ventils eine thermostatisch kontrollierte Absperrvorrichtung vorzusehen, die von einer Aufheizeinrichtung sowie einem Stellglied gebildet wird, dessen temperaturabhängige Dehnung in eine Bewegung des die Durchtrittsöffnung verschließenden Stempels umgesetzt wird. Schließlich ist als Stellglied auch ein Element aus einer Formgedächtnislegierung, zum Beispiel Nickel-Titan, geeignet.

Claims

Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem mit einem Wärmeträgermedium gefüllten Wärmerohr, in dem je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermedium vorhanden sind und bei dem ferner Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen in den Dampfkanal zu befördern, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (2, 12) eine in Richtung auf das kondensatorseitige Ende kontinuierlich zunehmende Querschnittsfläche aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Flüssigkeitskanal (2) vom Dampfkanal (1) trennende Wand (3) zur Längsachse des Rohres geneigt verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand (13) ein in das Innere des Flüssigkeitskanals (12) ragender, in Längsrichtung des Rohres verlaufender Ansatz (17) vorgesehen ist, dessen Querschnittsfläche in Richtung auf das Kondensatorende hin abnimmt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am verdampferseitigen Ende des Wärmerohres eine mittels einer von außen ansteuerbaren Absperrvorrichtung (6, 16) verschließbare Durchtrittsöffnung zwischen dem Flüssigkeitskanal (2, 12) und dem Dampfkanal (1, 11) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (6, 16) als elektromagnetisch betätigtes Ventil ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung aus einer elektrischen Aufheizeinrichtung sowie einem temperaturabhängig verformbaren Stellglied besteht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung ein Stellglied aus einer Formgedächtnislegierung aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (6, 16) automatisch ansteuerbar ist.